数字式γ射线结晶器钢水液位计的设计

　　1　引　　言

　　钢水结晶器液位测量和液位高度控制是关系到连铸过程中钢坯质量和生产效率的重要环节。结晶器内钢水温度高,周围环境条件差,采用同位素检测是测 量结晶器钢水液位的主要方法。同位素钢水液位计由信号变换单元和数据处理单元组成,核放射源和核辐射探测器组成参数变换器,将被测液位转换成电脉冲信号, 经数据处理单元测量处理,求出液位高度。信号测量与数据处理可以采用模拟方式或数字方式。模拟方式多采用率表电路,能进行连续测量,但是测量误差大 [1～2],测量范围有限。数字方式有定时计数和定数计时两种方法,测量精确度高,是核仪器中放射性测量的基本方法之一[1]。但是定时计数或定数计时方 法不能进行连续测量,因而很少用在同位素测量仪表中[1～2]。本文介绍的γ射线结晶器钢水液位计是为替代某同类引进仪表而研制的,其中采用单片机,设计 了信号数字处理方法,改善了仪表的动静态性能,满足了连续铸钢过程对结晶器钢水液位的测量需要。

　　2　信号变换单元

　　2.1　射线源设计

　　用γ射线检测结晶器钢水液位,射线源、结晶器和探测器几何布置如图1所示,探测器接收的射线强度I为[2～3]:

　　式中,I0是射线穿越结晶器前的强度,ρ和d分别是所穿越的介质的密度和厚度,质量吸收系数μ取决于吸收体的材料和能量,由于钢水的密度很大, 变化很小,密度变化对射线强度的影响可以忽略,当放射源一定时,探测器接收的射线强度随结晶器内钢水液位高度改变而变化。由式(1)可知,探测器接收的射 线强度与钢水液位高度之间呈非线性关系,因此,放射源设计成使其放射强度呈非线性函数分布的特殊线状放射源,使得在结晶器钢水不同液位时,探测器接收的射 线强度都能与之成近似线性关系。实际采用金属丝状60Co放射源,以不同绕距(螺距角)绕在芯棒上,以产生要求的射线强度分布。图2所示是用测试用冷坯件 放到结晶器内模拟钢水液位,使冷坯件以5mm级差逐步通过测量范围时液位计输出与被模拟钢水液位的关系曲线,由图2可见,液位计输出与钢水液位满足近似线 性关系的要求。

　　2.2　探头设计

　　探测器及其高压电源和前置放大器一同封装在探头内,通过耐高温电缆和测量单元相连。

　　2.2.1　核辐射探测器组成探测器采用闪烁计数器,闪烁体选用ST101A NaI闪烁晶体,所用的光电倍增管型号是R1306,其主要性能如下:

　　光谱响应范围:300～650nm

　　阴极灵敏度:110μA/1m

　　电流放大倍数:2.7×105